Confezionamento alimentare, tutte le soluzioni innovative per affrontare le sfide del futuro

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La principale applicazione dell’imballaggio tradizionale è quella di proteggere gli alimenti da fattori esterni come l’ossigeno, l’umidità, la luce e i microrganismi.

Tuttavia, soluzioni innovative sono in continua evoluzione, grazie alla ricerca tecnologica e alle esigenze del mercato, non solo per migliorare la protezione alimentare, preservandone la qualità, ma anche per veicolare informazioni al cliente e incentivare la sostenibilità ambientale.

Queste soluzioni includono il 1) Packaging Attivo, un concetto innovativo, che può essere definito come una modalità di imballaggio in cui il pacchetto, il prodotto e l’ambiente interagiscono per prolungare la durata di conservazione, migliorare la sicurezza o le proprietà sensoriali: questo è particolarmente importante soprattutto nel settore dei freschi a lunga conservazione. Alcuni esempi:

Assorbitori di ossigeno: si tratta di additivi che rimuovono l’ossigeno dall’imballaggio, prevenendo reazioni di ossidazione. Tra i diversi meccanismi di azione degli assorbitori di ossigeno troviamo:

– Ossidazione del ferro e dei sali di ferro;

– Ossidazione dell’acido ascorbico e degli acidi grassi insaturi (oleico, linoleico);

– Ossidazione di sostanze coloranti fotosensibili;

– Ossidazione enzimatica tramite la gluco-ossidasi.

Questi metodi possono ridurre i livelli di ossigeno residuo a <0,01%, livello inferiore rispetto al range 0,3-3,0% ottenuto con il packaging in atmosfera modificata. Il livello di ossigeno può essere mantenuto per lunghi periodi e dipende della permeabilità all’ossigeno del materiale di confezionamento. In commercio si possono trovare gli assorbitori di ossigeno come: sistemi indipendenti (buste, strisce o etichette) o sistemi integrati nel materiale di confezionamento stesso.

Assorbitori di etilene: ormone prodotto da frutta e verdura che accelera la maturazione e la senescenza. Gli assorbitori di etilene aiutano a controllarne i livelli, prolungando la vita post-raccolta dei prodotti freschi. Meccanismo d’azione:

– Uno dei principali meccanismi d’azione degli assorbitori di etilene si basa sull’uso del permanganato di potassio, che ossida l’etilene in anidride carbonica e acqua. Il contenuto tipico di permanganato è compreso tra il 4% e il 6%. Il permanganato di potassio ossida l’etilene e cambia colore da viola a marrone, e quindi, un cambiamento di colore indica la sua capacità residua di assorbire l’etilene, ma a causa della sua tossicità non può essere utilizzato a contatto diretto con il cibo.

– Altri sistemi si basano sulla capacità di determinati materiali di assorbire l’etilene, da soli o con un agente ossidante. Ad esempio, il palladio ha dimostrato di avere una capacità di assorbimento superiore a composti a base di permanganato in situazioni di alta umidità relativa. Le pellicole di polietilene LDPE e HDPE come materiale di confezionamento hanno identica proprietà e mantengono il cibo fresco più a lungo ed eliminano gli odori.

Assorbitori/emettitori di aroma e odore: l’aggiunta di essenze e odori può aumentare l’attrattiva del cibo per il consumatore, migliorandone l’aroma o esaltando il sapore quando il pacchetto viene aperto. Questi aromi e odori vengono rilasciati lentamente e uniformemente nel prodotto confezionato durante la sua conservazione o il loro rilascio può essere controllato per avvenire durante l’apertura del pacchetto o la preparazione del cibo. Il rilascio graduale degli odori può compensare la naturale perdita nei prodotti con una lunga durata di conservazione.

Packaging antimicrobico: la contaminazione microbiologica causata da batteri patogeni o deterioranti può verificarsi durante un processo inadeguato o quando l’integrità dell’imballaggio è compromessa. L’imballaggio antimicrobico include sistemi come la dispersione di agenti bioattivi, il rivestimento con gli stessi sulla superficie del packaging o ancora l’utilizzo di macromolecole antimicrobiche con proprietà filmogene o matrici commestibili. Un gran numero di agenti con proprietà antimicrobiche (etanolo, biossido di carbonio, ioni d’argento, biossido di cloro, antibiotici, acidi organici, oli essenziali e spezie, ecc.) vengono utilizzati a tale scopo.

I sistemi di imballaggio che rilasciano antimicrobici volatili includono anche biossido di cloro, estratti vegetali, biossido di zolfo, biossido di carbonio e isotiocianato di allile. Questo tipo di imballaggio attivo è adatto per applicazioni in cui non si verifica un contatto tra le porzioni di cibo e l’imballaggio. Un altro modo per affrontare il problema della crescita microbica è l’uso di additivi antimicrobici non volatili. Molti conservanti (acido sorbico, acido benzoico, acido propionico e i suoi sali, o batteriocine come la nisina, spezie naturali, ioni d’argento, chelanti, ecc.) vengono aggiunti alle pellicole di plastica e ai materiali utilizzati ma richiedono un contatto diretto con il cibo per essere attivi.

Packaging antiossidante: l’ossidazione dei grassi è uno dei meccanismi più importanti che portano al deterioramento degli alimenti, secondo solo alla crescita dei microrganismi. L’ossidazione dei lipidi negli alimenti porta a una riduzione della shelf-life a causa dei cambiamenti di gusto e/o odore, del deterioramento della consistenza e a una riduzione della qualità nutrizionale. L’ossidazione degli alimenti può essere evitata mediante l’uso di assorbitori di ossigeno e agenti antiossidanti. Tuttavia, i radicali, anione superossido, idrossile e superossido, si originano dall’ossigeno e sono i principali inneschi dell’ossidazione che può essere evitata eliminando i radicali non appena si formano.

  • Una vernice con antiossidante naturale a base di estratto di rosmarino può eliminare o ritardare l’ossidazione degli alimenti all’interno del pacchetto alimentare. L’uso di un film attivo antiossidante nella conservazione della carne fresca può migliorare la stabilità della mioglobina e limitare l’ossidazione.
  • Il contenuto di antiossidanti diminuisce durante la conservazione a causa della diffusione attraverso la pellicola e della sua successiva evaporazione in superficie. Gli antiossidanti possono essere utilizzati per olio, noci, burro, carne fresca, derivati della carne, prodotti da forno, frutta e verdura.

I sistemi di packaging intelligente (“smart packaging”), un’altra categoria all’interno del packaging attivo, incorporano indicatori visivi e sensori per monitorare le condizioni degli alimenti confezionati. Questi indicatori possono includere indicatori di tempo-temperatura, rilevatori di gas e indicatori di freschezza/maturazione. Forniscono informazioni sulla qualità degli alimenti confezionati durante il trasporto e la conservazione. Gli indicatori dovrebbero essere facilmente attivabili e mostrare un cambiamento (o indicazione) misurabile e irreversibile.

Indicatori di tempo-temperatura (TTIs): questi indicatori possono essere semplici dispositivi attaccati al packaging primario, secondario e terziario. I dati relativi al tempo e alla temperatura sono correlati al tipo di prodotto utilizzato e possono essere utilizzati lungo tutta la catena di distribuzione, inclusi i consumatori finali. I TTI sono facili da utilizzare, economici su larga scala e applicabili a diversi settori alimentari come carne, frutta, latticini, panetteria e pasticceria.

Sono di due tipi: indicatori visivi e tag RFID (radio frequency identification).

  • Gli indicatori visivi cambiano colore in risposta all’esposizione alla temperatura. I principali meccanismi d’azione includono reazioni enzimatiche, polimerizzazione o diffusione chimica.
  • Il tag RFID è una forma avanzata di supporto dati per l’identificazione automatica del prodotto e la tracciabilità, grazie ad un minuscolo microchip collegato a un’antenna. In un sistema RFID, un lettore emette onde radio per acquisire dati da un tag RFID, che vengono quindi inviati a un computer.

Tra i sensori, oltre ai RIFID, si annoverano: biosensori, bar code, quick response (QR) e realtà aumentata.

Indicatori di tenuta e perdite: la composizione del gas nello spazio vuoto dell’imballaggio spesso cambia a causa dell’attività del prodotto alimentare, delle perdite, della natura dell’imballaggio o delle condizioni ambientali. O2 e CO2 possono essere utilizzati per monitorare la qualità degli alimenti, come indicatori di tenuta (perdite) o per verificare l’efficacia di un assorbitore di ossigeno. La maggior parte degli indicatori di O2 o CO2 cambia colore a seguito di reazioni chimiche o enzimatiche. Un cambio di colore indica quando la concentrazione di ossigeno supera il limite stabilito in un imballaggio alimentare sigillato. Il problema principale di tali indicatori è che richiedono una conservazione in condizioni anaerobiche, poiché si deteriorano rapidamente in presenza di ossigeno.

Indicatori di freschezza e/o maturazione: gli indicatori di freschezza, a differenza dei TTI, sono indicatori diretti della qualità del prodotto e possono rivelare le reazioni chimiche che causano il deterioramento dei prodotti. Un modo molto comune per monitorare la crescita di microorganismi e il conseguente deterioramento del cibo è attraverso i suoi metaboliti, come glucosio, acidi organici, anidride carbonica, prodotti di degradazione dell’adenosina trifosfato (ATP) e composti solforici. A seconda del tipo di alimento, esiste un composto chimico specifico che funge da indicatore della sua qualità. Il monitoraggio del pH viene utilizzato per valutare la qualità del cibo attraverso film indicatori di colore sensibili al pH. I film necessitano di due componenti che lavorano insieme: un supporto solido e un colorante sensibile alle variazioni del pH. Come supporto, si possono utilizzare diversi tipi di materiali polimerici e biopolimerici, come il tereftalato di polietilene, il chitosano, i biocompositi di alcol polivinilico (PVA)/chitosano, le miscele di chitosano/amido di mais, la metilcellulosa e i polielettroliti di chitosano/pectina. Per evitare problemi di sicurezza legati al materiale di confezionamento, vengono preferiti coloranti naturali, come gli antociani, invece di quelli sintetici. I biopolimeri sono quindi promettenti nelle applicazioni di confezionamento intelligente per consentire un monitoraggio in tempo reale in modo molto semplice, poiché la colorazione dei film indicatori cambia a causa della variazione del pH, a seguito del deterioramento della qualità del cibo.

In figura: la combinazione di tecnologie inerenti allo “Smart packaging” possono incidere su tutta la filiera produttiva, limitando sovrapproduzioni e conseguenti sprechi.

2) MATERIALI INNOVATIVI

Nel packaging alimentare consentono una personalizzazione degli imballaggi con forme, dimensioni e design specifici per soddisfare le esigenze di prodotti alimentari particolari, riducendo così gli sprechi di spazio e migliorando l’esperienza del consumatore, utilizzando materiali a base di fibre vegetali, bioplastiche o compostabili. Si menziona anche la tecnologia apportata dalle stampanti 3D, sia per la creazione di nuovi design che per l’utilizzo di materiali particolari. Alcuni esempi di materiali innovativi a seguire:

Film commestibili: si tratta di film realizzati da materiali naturali, come amido di patate o polisaccaridi da alghe (es agar, alginato ecc..), che possono essere consumati insieme al cibo.

Materiali a base di funghi (micelio): sono prodotti utilizzando organismi che crescono su substrati agricoli di scarto.

Il chitosano: è un polisaccaride naturale derivato dalla chitina, un componente presente negli esoscheletri di crostacei come gamberi, granchi e aragoste. È ottenuto attraverso un processo di deacetilazione della chitina. Il chitosano ha dimostrato proprietà antimicrobiche e antifungine, può inibire la crescita di microorganismi deterioranti, come batteri e muffe. Agisce inoltre da barriera per l’ossigeno e i vapori preservando la freschezza, il sapore e la qualità degli alimenti per un periodo più lungo. Il chitosano è inoltre biodegradabile. Questi film offrono una barriera all’umidità e all’ossigeno e possono contribuire a ridurre l’uso di imballaggi convenzionali.

I nanomateriali: sono particelle di dimensioni nanometriche che offrono proprietà uniche: includono nanoparticelle di silice, nanocompositi polimerici e nanoparticelle metalliche. Questi materiali offrono proprietà di barriera migliorata, resistenza antimicrobica e sensoristica avanzata. Si prevede l’utilizzo di soluzioni a base di cellulosa, come la nanocellulosa, che offrono proprietà di barriera eccellenti e sono derivati da fonti rinnovabili. Altri sviluppi includono nanosensori alimentari che possono rilevare gas di decomposizione e modificare il colore dell’imballaggio per indicare eventuali alterazioni degli alimenti.

Idrogel: si tratta di polimeri tridimensionali di derivazione proteica, polisaccaridica e lipidica principalmente, in grado di trattenere elevate quantità d’acqua mantenendo duttilità meccanica e capacità di ritardare il deterioramento, controllando l’umidità dell’alimento. Possono essere caricati con composti bioattivi come carotenoidi e polifenoli che ne migliorano le funzionalità. Possono essere elaborati in base alle caratteristiche fisico-chimiche del substrato (idrofilo, lipofilo, quantità d’acqua, etc..) e alle esigenze del produttore.

3) SOSTENIBILITA’ AMBIENTALE

A causa dei crescenti problemi ambientali causati dalla sovrapproduzione di imballaggi di plastica a base di petrolio, si stanno cercando altre soluzioni che soddisfino le aspettative dei consumatori e abbiano limitati effetti negativi sull’ambiente. L’accumulo di rifiuti, in particolare microplastiche, negli organismi acquatici come granchi, vongole, ostriche e pesci, sta diventando un problema severo (Jahan et al., 2019, Santana et al., 2016). Nel 2018, la Commissione europea ha introdotto una direttiva che impone che entro la fine del 2030 ci siano solo imballaggi riciclabili o riutilizzabili sul mercato dell’Unione europea.

Purtroppo, la maggior parte dei materiali di imballaggio disponibili sul mercato non soddisfa le restrizioni proposte dalla Direttiva del Parlamento europeo (UE) 2018/2001 del Parlamento europeo o del Consiglio dell’11 dicembre 2018 sulla promozione dell’utilizzo di energia da fonti rinnovabili (2018). Al fine di soddisfare queste aspettative, sono state condotte ricerche per molti anni per creare materiali di imballaggio a base di biopolimeri (Cazón, Velazquez, Ramírez e Vázquez, 2017). Le ricerche condotte finora riguardano principalmente la selezione delle migliori combinazioni di materie prime filmogene biodegradabili, nonché l’ottimizzazione del processo produttivo per renderlo rapido, efficiente ed economico (Barbosa, Andrade, Vilarinho, Fernando e Silva, 2021). I biopolimeri, ad esempio, materiali derivati da fonti biologiche (come mais, canna da zucchero, scarti organici, ecc.), stanno guadagnando sempre più attenzione come alternativa alle plastiche convenzionali.

Gradimento dei consumatori

Oltre alla protezione e alla sostenibilità, le soluzioni innovative per il confezionamento alimentare devono anche tener conto dell’impatto sui consumatori. Gli imballaggi devono essere pratici da usare, attraenti e rispondere alle esigenze e alle preferenze dei consumatori. L’aspetto estetico, la facilità di apertura e chiusura e la possibilità di informazioni chiare sull’origine, sulla freschezza e sulla sicurezza degli alimenti sono solo alcune delle considerazioni importanti per garantire l’interesse dei consumatori.

CRITICITA’

È importante considerare i limiti tecnici associati a questi materiali e alla scarsità di articoli in letteratura di applicazioni a livello industriale.

Biodegradabilità: uno dei principali dubbi riguarda l’effettiva biodegradabilità di questi materiali: molti materiali richiedono condizioni specifiche, come temperature e umidità, per degradarsi in modo efficace. Se tali condizioni non sono soddisfatte, questa fase può essere ritardata o addirittura non avvenire affatto creando così problemi di inquinamento.

Contaminazione: Un altro limite tecnico è la potenziale contaminazione degli alimenti da parte dei materiali innovativi utilizzati nel packaging, soprattutto se sottoposti a condizioni di temperatura elevate e alle caratteristiche fisico-chimiche dell’alimento (es: oli o acidi).

Complessità della riciclabilità: alcuni materiali biodegradabili possono interferire con i processi esistenti, richiedendo impianti speciali o separati per il loro trattamento. Questo può rendere lo smaltimento o riutilizzo costoso e inefficiente, compromettendo l’obiettivo di ridurre l’impatto ambientale complessivo.

Prestazioni tecniche inferiori: i packaging potrebbero non fornire le stesse prestazioni tecniche dei materiali convenzionali. Ad esempio, la resistenza meccanica, la barriera all’ossigeno e all’umidità potrebbero non essere adeguati agli standard richiesti per preservare la qualità e la sicurezza degli alimenti.

Costi elevati: i materiali di ultima generazione hanno costi più elevati rispetto a quelli convenzionali, per il momento. La produzione richiede spesso processi specializzati e risorse aggiuntive, aumentandone così i costi. Ciò potrebbe comportare un aumento dei prezzi dei prodotti alimentari per i consumatori o un rallentamento dell’adozione su larga scala da parte delle aziende alimentari.

CONCLUSIONI

Il confezionamento alimentare sta affrontando sfide sempre più complesse che richiedono soluzioni innovative. La protezione degli alimenti, la sostenibilità ambientale e il gradimento dei consumatori sono aspetti fondamentali che devono essere valutati nello sviluppo di nuovi materiali e tecnologie di confezionamento. L’adozione di nuove soluzioni nel packaging alimentare offre numerosi vantaggi futuri: una maggiore sicurezza alimentare attraverso sensori intelligenti, una conservazione prolungata degli alimenti e una riduzione degli sprechi.

L’affinamento della robotica, la complessità delle nuove tecnologie (realtà aumentata e ologrammi ad esempio) e la gestione di banche dati aggiornate in tempo reale e comunicanti con macchine e operatori (IoT: Internet of Things, in particolare) risulteranno decisive all’inserimento progressivo di nuovi materiali garantendone una completa tracciabilità e rintracciabilità e conoscenza da parte delle aziende e del consumatore.